GENÉTICA MOLECULAR APLICADA AL DIAGNÓSTICO DE ENFERMEDADES HEREDITARIAS 2014-2015Ed Cont Lab Clín; 21: 24 - 33

ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

Caso Clínico: Paciente con diabetes e hipoacusia neurosensorial

PILAR CARRASCO SALAS. Centro de Genética Molecular Genetaq, Málaga.

GEMA FERNÁNDEZ GONZÁLEZ. Laboratorio de Análisis Clínicos, Hospital Juan Ramón

Jiménez, Huelva.

JUAN LÓPEZ SILES. Centro de Genética Molecular Genetaq, Málaga.

Palabras clave: Cadena respiratoria, ADN nuclear, ADN mitocondrial, enfermedad mitocondrial.

CASO CLÍNICO

Mujer de 55 años con índice de masa corporal bajo (22 kg/m2) que acude a urgencias por

disnea a mínimos esfuerzos. Como antecedentes personales destaca una hipoacusia neurosen-

sorial severa del oído izquierdo y diabetes tipo II en tratamiento desde hace 10 años.

Llama la atención la presencia de sordera familiar: madre e hijo también están afectos. El hijo

con sordera presenta además un síndrome de Wolff-Parkinson-White, síndrome caracterizado

por taquicardias supraventriculares y anormalidades en el electrocardiograma. Un hermano y

su madre también son diabéticos.

En la analítica se observa un aumento de lactato (91 mg/dL, valores de referencia 4 - 20 mg/dL)

y una glucosa de 169 mg/dL. El resto de parámetros analíticos estudiados se encuentra dentro

de los valores de referencia, incluidas las troponinas. En la radiografía de tórax se aprecia una

ligera cardiomegalia, con aumento de trama broncovascular. La ecocardiografía revela disfun-

ción sistólica, con una fracción de inyección del ventrículo izquierdo (FEVI) muy severamente

deprimido por hipoquinesia generalizada y un llenado ventricular con patrón restrictivo.

Con estos datos, se establece el diagnóstico de miocardiopatía dilatada y se instaura trata-

miento. ¿Podría existir alguna relación entre la miocardiopatía, la diabetes y la hipoacusia que

presenta la paciente? Dados los antecedentes familiares de sordera y diabetes ¿existe algún

cuadro clínico hereditario que englobe estas alteraciones? ¿Puede ofrecerse a la familia algún

estudio genético?

Enfermedades mitocondriales P. Carrasco, G. Fernández, J. López

I: 2 Diabetes y sorderaI: 1

II: 2 Diabetes y sordera I: 3 DiabetesII: 1

III: 1 Sordera III: 2

I

III

II

Hombre

Mujer

Afectos

Caso índice

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Figura 1. Árbol genealógico del caso índice.

1. INTRODUCCIÓN

El término de enfermedades mitocondriales engloba a un grupo heterogéneo de alteraciones

que se caracterizan por la disfunción de la cadena respiratoria mitocondrial.

La cadena respiratoria presente en las mitocondrias está compuesta por cinco complejos en-

zimáticos y dos moléculas que actúan a modo de nexo de unión. La función principal de esta

cadena es regenerar el poder reductor de la célula y producir energía a partir de la oxidación

aeróbica de los sustratos.

Los azúcares, ácidos grasos y aminoácidos cuando son degradados (oxidados) reducen co-

factores celulares como el NAD y el FAD. Para regenerar estos cofactores y sintetizar ATP, se

produce entre los complejos enzimáticos que forman la cadena respiratoria una transferencia

de electrones desde las moléculas reducidas hasta el aceptor final, que en los organismos

aerobios es el oxígeno. La energía liberada por la transferencia de electrones en la cadena res-

piratoria, es usada para el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio

intermembrana. Este bombeo produce un gradiente de protones, y como consecuencia una

desigualdad de cargas y de pH a ambos lados de la membrana interna. La fuerza protón-motriz

entre los dos compartimentos genera un flujo pasivo de H+ hacia la matriz a través de la ATP

asa, sintetizándose ATP (este proceso se puede consultar en: http://www.cell.com/cms/attach-

ment/606824/4828776).

Dada la gran mortalidad infantil de estos trastornos, las cifras de prevalencia no son exactas,

aunque se estima en torno al 1 por 15 000 a los 14 años.

P. Carrasco, G. Fernández, J. LópezEnfermedades mitocondriales

26

Las patologías mitocondriales, pueden afectar a un único órgano (como el ojo, en la neuro-

patía óptica de Leber), pero en general se presentan como enfermedades progresivas y mul-

tisistémicas, que afectan a tejidos con alta demanda energética, como el músculo, el sistema

nervioso central, los órganos endocrinos o la retina. Los rasgos clínicos típicos de las enferme-

dades mitocondriales incluyen: ptosis, oftalmoplejia externa, miopatía proximal e intolerancia

al ejercicio, miocardiopatía, sordera neurosensorial, retinopatía pigmentaria, encefalopatía,

convulsiones, migraña y diabetes mellitus.

Debe sospecharse un defecto de la cadena respiratoria mitocondrial en cualquier paciente que

presente una asociación inexplicable de dos o más síntomas, con un curso clínico rápidamente

progresivo y con afectación del sistema nervioso central en los estados avanzados de la misma.

2. GENÉTICA DE LAS ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

La mayoría de polipéptidos que forman los complejos de la cadena respiratoria están codifi-

cados por ADN nuclear (ADNn). El ADN contenido en las mitocondrias, conocido como ADN

mitocondrial (ADNmt), codifica 13 subunidades esenciales (y los ARNs necesarios para su ex-

presión, que también son esenciales).

Dado que en la formación de la cadena respiratoria participan los dos sistemas genéticos de la

célula, las enfermedades mitocondriales pueden estar ocasionadas por mutaciones en genes

nucleares o por mutaciones en el ADNmt. Éste último, aunque codifica pocas proteínas de la

cadena respiratoria, es responsable de un número elevado de las deficiencias de actividad de

la misma.

2.1. Enfermedades por mutaciones en el ADNn

El ADNn contiene al menos 80 genes codificantes de las subunidades de los complejos enzi-

máticos de la cadena respiratoria, además de genes implicados en la regulación de la expre-

sión del ADNmt (comunicación intergenómica), en el ensamblaje de dichos complejos, en la

maduración de proteínas sintetizadas en el citoplasma, etc. Cualquier mutación en estos genes

puede dar lugar a enfermedades mitocondriales (tabla 1).

Tabla 1. Clasificación genética de las enfermedades mitocondriales por mutaciones en el ADNn.

TIPO DE ALTERACIÓN GENES HERENCIA

Mutaciones en genes que codifican subunidades que forman parte de distintos complejos de la cadena respiratoria

SURF1, SCO1, SCO2, COX10, COX15, BCS1L

Autosómica recesiva

Mutaciones en genes implicados en la comunicación intergenómica

ANT1, POLG1, TP, DGUK, TK2, EGF1, PSU1,

Autosómica recesivaAutosómica dominante

Mutaciones en genes que regulan componentes lipídicos de las membranas mitocondriales

G4.5 Ligada al X

Mutaciones en genes que regulan la fusión, fisión y movilidad mitocondrial KIF5A, OPA1, MNF2 Autosómica dominante

Enfermedades mitocondriales P. Carrasco, G. Fernández, J. López

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En el ADNmt se han identificados dos clases de mutaciones: (i) mutaciones con cambio de una

sola base y (ii) reordenamientos (deleciones e inserciones). En contraste con las primeras, los

reordenamientos en el ADNmt no se heredan; son mutaciones normalmente esporádicas que

se producen en el oocito.

Las diferentes mutaciones del ADNmt tienen una gran variabilidad fenotípica y su expresión

puede producir una combinación de los síntomas y signos ya mencionados. No obstante, se

pueden distinguir, algunas enfermedades con entidad clínica definida. Los principales se deta-

llan en la tabla 2.

Tabla 2. Clasificación genética de las enfermedades mitocondriales por mutaciones en el ADNmt.

Como puede observarse en la tabla, en los trastornos mitocondriales una misma alteración

puede dar lugar a distintos cuadros clínicos y un mismo fenotipo puede ser debido a distintas

mutaciones en distintos genes.

ENFERMEDAD OMIM SÍNTOMAS MUTACIONES EN EL ADNmt

Síndrome de Kearns-Sayre (KSS)

530000

Bloqueo cardíacoProteínas en LCR >1 g/lAtaxia cerebelosaOftalmoplejía externa

Reordenamientos (deleciones y duplicaciones)

Oftalmoplejía externa progresiva crónica (CPEO) –

Oftalmoplejía externaPtosis bilateral

Reordenamientos (deleciones y duplicaciones)

Síndrome de Pearson

557000

Anemia sideroblástica en la infanciaPancitopeniaFallo pancreático exocrino

Reordenamientos (deleciones y duplicaciones)

Síndrome de Leigh

256000

ADeterioro psicomotor graveAfectación de ganglios basales y otras estructuras subcorticales

m.8993T>G, m.8993T>C (gen MT-ATP6)

Neuropatía, ataxia y retinitis pigmentosa (NARP)

551500AtaxiaRetinopatía pigmentaria

m.8993T>G, m.8993T>C(gen MT-ATP6)

Encefalopatía mitocondrial con acidosis láctica y acci-dentes cerebro-vasculares (MELAS)

540000

MigrañaVómitosEpilepsia asociada a episo-dios similares a apoplejía

m.3243A>G, m.3251A>G, m.3271T>C (gen MT-TL1)

Epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas (MERFF)

545000EpilepsiaAtaxia cerebelar

m.8344A>G, m.8536T>C (gen MT-TK)

Neuropatía óptica de Leber (LHON) 535000

Pérdida visual bilateral y simétricaAtrofia óptica

m.3460G>A (gen MT-ND1) m.11778G>A (gen MT-ND4) m.14484T>C (gen MT-ND6)

Diabetes y sordera mitocon-drial (MIDD) 520000

HipoacusiaDiabetes

m.3243A>G (gen MT-TL1) m.8296A>G (gen MT-TK)m.14709T>C (gen MT-TE)

P. Carrasco, G. Fernández, J. LópezEnfermedades mitocondriales

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3. ALGORITMO DIAGNÓSTICO

Tras realizar una historia clínica detallada y una exploración completa, el estudio inicial en

todo paciente con sospecha de enfermedad mitocondrial debería incluir las siguientes pruebas

bioquímicas:

- Determinación de lactato y piruvato en sangre, y eventualmente en líquido cefalorraquídeo,

cuando el cuadro clínico sea de afectación central. Los trastornos mitocondriales se caracteri-

zan por hiperlactacidemia y una relación lactato/piruvato aumentada.

- Determinación de cuerpos cetónicos (hidroxibutirato y acetoacetato), aminoácidos y carniti-

na en plasma y/o suero para descartar otras entidades que pueden cursar con hiperlactacide-

mia, como las acidemias orgánicas.

En caso de que persista la sospecha clínica, el médico debe valorar si el fenotipo del paciente

puede englobarse dentro de alguno de los síndromes mitocondriales clásicos o representa un

trastorno no sindrómico, si sigue una herencia mendeliana o materna o si el fenotipo se ha

podido producir de manera esporádica.

Cuando el fenotipo sugiera un trastorno concreto (MELAS, MERFF, NARP, etc.), el análisis ge-

nético debe comenzar por el análisis de las mutaciones puntuales relacionadas. Para este caso

pueden emplearse técnicas moleculares como la PCR a tiempo real o la secuenciación Sanger

del gen o genes implicados. Si el fenotipo hace pensar en una enfermedad mitocondrial debida

a reordenamientos del ADNmt, el Southern blot es el método recomendado para detectar este

tipo de mutaciones. El estudio de deleciones en el ADNmt se puede realizar también con long-

PCR (variante de la técnica convencional de PCR que permite amplificar fragmentos de ADN de

gran tamaño) del genoma mitocondrial entero o de regiones concretas del mismo. La visuali-

zación en gel de agarosa de una sola banda de 16,6 kb, en caso de amplificar el ADNmt entero,

descartaría la presencia de deleciones. Si existen deleciones, se observarían una o más bandas

de menor tamaño. Los resultados positivos obtenidos por una u otra técnica deben confirmar-

se siempre debido a que en el ADNmt pueden aparecer deleciones simplemente relacionadas

con la edad y a que también es posible la existencia de polimorfismos en la zona de corte de

las enzimas de restricción utilizadas en el Southern que den lugar a resultados falsos positivos.

La muestra recomendada para los estudios que requieren la detección de reordenamientos es

generalmente el músculo (síndromes CPEO y KSS). Sin embargo, en el síndrome de Pearson sí

puede utilizarse muestras de sangre periférica para el estudio genético.

En aquellos casos en los que los síntomas del paciente no se encuadren dentro de un cuadro

clínico ya conocido, la valoración bioquímica de la actividad de los complejos enzimáticos o los

estudios morfológicos o histoenzimáticos a nivel tisular pueden poner de manifiesto si existe

un sólo trastorno de la cadena respiratoria (afectan a un solo complejo) o varios. En ambos

casos el origen de la alteración genética puede encontrarse en el ADNn o en el ADNmt.

Enfermedades mitocondriales P. Carrasco, G. Fernández, J. López

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Figura 4. Algoritmo para el diagnóstico genético de las enfermedades mitocondriales.

RESULTADO DEL CASO CLÍNICO

La presencia de sordera, diabetes y miocardiopatía dilatada de etiología no isquémica en esta

paciente podría explicarse por la presencia de un cuadro clínico conocido como sordera y dia-

betes de transmisión materna (MIDD, de sus siglas en inglés maternally inherited diabetes and

deafness). En la mayoría de casos, los pacientes que tienen este síndrome presentan sordera

neurosensorial y una diabetes que simula una diabetes de tipo 2, con un índice de masa corpo-

ral normal o bajo. Los órganos con una alta actividad metabólica suelen estar afectados, lo que

puede ocasionar dolores musculares, nefropatía, miocardiopatía y síntomas neuropsiquiátricos.

La MIDD se produce normalmente por la presencia de la mutación puntual m.3243A>G en el

gen mitocondrial MT-TL1, que codifica el ARNt de la leucina. En una proporción menor de los

pacientes, se detecta mutaciones puntuales en los genes mitocondriales MT-TE y MT-TK, que

codifican el ARNt del ácido glutámico y de la lisina, respectivamente.

Ante la sospecha de MIDD, se solicita al laboratorio externo el estudio de la mutación

m.3243A>G en el ADNmt. La secuenciación Sanger del gen MT-TL1 puso de manifiesto la

presencia en heteroplasmia de dicha mutación (figura 5a), lo que confirmó el diagnóstico de

MIDD.

Sospecha de enfermedadmitocondrial

Estudios bioquímicosiniciales

Normales Alterados¿Otro diagnóstico?

¿Síndrome clínicodefinido?

Si No

MELAS, MERFF, NARP,LHON, MIDD, Leigh

CPWEO, KSS,Pearson

Hisoquímica, bioquímica (Biopsiade músculo, hígado, piel)

Estudio mutacionespuntuales en el ADNmt

¿Defecto único odefecto combinado?Estudio de reordenamientos

en el ADNmtNeg Neg

Secuenciación mtDNA

DIAGNÓSTICO DE ENFERMEDADMITOCONDRIAL

Herencia maternaHerencia autosómica

Secuenciación genes nucleares8POLG1, POLG2, ANT1, TYMP, ...)

P. Carrasco, G. Fernández, J. LópezEnfermedades mitocondriales

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Figura 5. Electroferograma en el que se muestra la mutación m.3243A>G en heteroplasmia en a) caso índice, b) hermano, c) hijo afecto e d) hija asintomática

Posteriormente, se realizó el estudio de la mutación m.3243A>G en otros familiares. En el

hermano del caso índice, de 52 años, diabético tipo 2 y sin historia de sordera, se detectó la

mutación m.3243A>G también en heteroplasmia (figura 5b). Sin embargo, el nivel de ADNmt

mutado en sangre era a simple vista menor que en la hermana, probablemente por el fenóme-

no de “cuello de botella” que hemos visto antes. Esta menor proporción de ADNmt mutado

podría explicar la ausencia de hipoacusia en el paciente.

En uno de los hijos del caso índice, de 36 años y diagnosticado de síndrome de Wolff-Parkin-

son-White e hipoacusia bilateral (utiliza audífono desde hace 12 años con un grado de disca-

pacidad del 55 %), también se identificó la mutación m.3243A>G en heteroplasmia. En este

caso los síntomas han aparecido antes.

En otra hija del caso índice, de 30 años de edad y asintomática, se detectó también la muta-

ción en heteroplasmia. Probablemente desarrolle algún síntoma, pero la severidad y la edad

de inicio de los mismos dependerá del porcentaje de ADNmt mutado que haya en cada tejido.

Dado que el ADNmt se transmite por vía materna, tanto el hermano del caso índice como el

hijo no transmitirán la mutación a la descendencia. En cambio la hija sí; la cantidad de ADN

mutado que transmita a sus hijos podrá variar por el fenómeno de amplificación-restricción

que se produce durante la ovogénesis.

RESUMEN

Las enfermedades mitocondriales constituyen un grupo heterogéneo de trastornos que pueden

presentarse con cualquier síntoma, en cualquier órgano y a cualquier edad. Se caracterizan por

una alteración de la cadena respiratoria debido a mutaciones localizadas tanto en el genoma mi-

tocondrial como en el nuclear. La genética del ADNmt tiene una serie de características que di-

fieren significativamente del ADNn y que deben tenerse en cuenta al realizar el estudio genético.

Enfermedades mitocondriales P. Carrasco, G. Fernández, J. López

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FORMACIÓN CONTINUADA EN GENÉTICACOMISION DE GENETICA MOLECULAR

Josep Oriola Ambrós, Ana Mª Sánchez de Abajo, Atocha Romero (coordinadora del curso), Be-goña Ezquieta, Carmen Cañadas, Concha Alonso, Cristina Torreira Banzas, Jesús Molano, MaríaArruebo Muñio, María Santamaría González, Orland Diez, Pilar Carrasco Salas

ACTIVIDADES FORMATIVAS DEL COMITÉ DE EDUCACIÓN

M. Rodríguez (presidente), D. Balsells, R. Deulofeu, M. Gassó, J.A. Lillo, A. Merino, A. Moreno, MC. Villà

ISSN 1887-6463 - Diciembre 2014 (recibido para su publicación Noviembre 2014)

Aunque existen síndromes clínicos perfectamente definidos, en muchos casos el paciente pre-

senta una asociación de signos y síntomas que pueden modificarse a lo largo de los años, com-

plicando el estudio de estas patologías. El diagnóstico final debe realizarse combinando datos

clínicos, bioquímicos, histológicos y genéticos.

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